气液分离器是水下生产系统的重要组成部分,管柱式气液分离器(gas-liquid cylindrical cyclone separator简称GLCC)具有结构紧凑,操作方便等优势在深海油气分离场合受到人们越来越多的青睐。然而GLCC的分离机理十分复杂,关于其流动和分离特性的研究还没有得到满意的成果,因此阻碍了GLCC在工业上的广泛应用。本文采用数值模拟的方法对GLCC速度分布、压力分布、旋流的衰减特性、旋流的稳定性和截面的液相体积分布等进行了研究,结论如下:(1)在湍流模型的选择上:将标准k-ε模型、RNG k-ε模型和RSM模型与课题组实验结果进行比较,发现RNG k-ε模型所得压降值更接近实验值;在气液两相流模型的选择上,基于欧拉模型的多相VOF模型能描述与实验类似的气液相交界面,因此更适用于模拟GLCC内的气液两相流动;气液两相间的作用力以曳力为主,且曳力采用Symmetric模型更容易描述GLCC筒体内上部携带液滴的现象。(2)GLCC内切向速度的分布在径向呈“M”型分布,中心区域形成强制涡,两边区域形成自由涡,最大切向速度随着轴向位置上移而不断减小。切向速度受喷嘴结构影响较大,新月形喷嘴入口截面切向速度较大,造成壁面处较大动量损失,而矩形喷嘴对应的动量损失相对较小;喷嘴面积对速度分布也有很大影响,随入口面积减小,与喷嘴连接的一侧切向速度逐渐增大,对弯道处壁面的切削作用增大,动量损失增大,衰减加快。(3)随操作气量和液量增大,GLCC筒体内压降值逐步增大。整个GLCC静压变化并不明显,只在喷嘴入口截面上左侧壁面冲击区域处有静压突变。喷嘴结构和截面积对此冲击区域影响很大。新月形喷嘴相较于矩形喷嘴冲击区域更大;矩形喷嘴面积越小,冲击压力越大。(4)旋流衰减性和稳定性方面:气液两相在筒体上部入口附近高度旋流衰减较快。在z<1700mm时,气速对切向速度衰减影响较大,气速越小衰减越快;在z>1700 mm时气速对旋流衰减影响很小。GLCC筒体分离空间内旋流摆动幅度很大,在GLCC筒体上部空间内,矩形喷嘴相较于新月形喷嘴涡核摆动幅度更小,流动更加稳定。同一矩形喷嘴时,随喷嘴面积的减小,旋流稳定性增加。(5)在大液相流量下,喷嘴入口截面积减小不利于气液两相预分离;在GLCC入口区域存在一液体滞留区,该区域面积随喷嘴入口面积增大呈先减小后增大的趋势。2#喷嘴对应的滞留区域最小,性能更优;在GLCC入口上部区域右侧壁面液相体积分数相较于左侧壁面更大,且此区域随着喷嘴截面积的减小呈现先减小后增大的趋势,在2#喷嘴时实现最优。在GLCC筒体下部空间,0#喷嘴气核宽度和长度明显越大,而三种矩形喷嘴下,气核随喷嘴截面积增大呈现先减小后增大的趋势。从液相体积分布可以看出,2#喷嘴在大液量下,分离性能更优。